ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA
MCAL. ANTONIO JOSÉ DE SUCRE
“BOLIVIA”
DISEÑO DE LA SARTA DE PERFORACION
Estudiante: andres G. crespo Herrera
Código: c4806-2
Docente: ing. José Mejía Ramos
COCHABAMBA, 2016
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DISEÑO DE LA SARTA DE PERFORACION
Objetivos
Ser capaz de describir:
1. Las funciones de la tubería de perforación, de los lastra barrena y
de la
Herramienta de Fondo, BHA
2. Los Grados de acero para TP y las propiedades de resistencia
3. Los tipos de rosca y de acople para conectar la TP
4. El peso de los DC y el punto neutral
5. Los métodos de diseño de la Sarta de Perforación (para los
esfuerzos doblamiento, torsión y Tensión)
6. El Margen de Sobre Tensión, MOP
7. Diseño de Sartas de perforación
8. Cálculos de Torque y Arrastre
9. Diseño de Sartas con el mínimo Torque y Arrastre
10. Problemas con la sarta (roturas, particiones en rotación y
mecanismos de fatiga)
11. Métodos y Técnicas de Inspección
Funciones de la Sarta de Perforación
La sarta de perforación es el enlace mecánico que conecta a la
barrena de perforación que está en el fondo con el sistema de
impulsión rotario que está en la superficie.
La sarta de perforación sirve para las siguientes funciones:
1. Transmitir rotación a la barrena.
2. Transmitir y soportar cargas axiales.
3. Transmitir y soportar cargas de torsión.
4. Colocar el peso sobre la barrena para perforar.
5. Guiar y controlar la trayectoria del pozo.
6. Permitir la circulación de fluidos para limpiar el pozo y enfriar la
barrena.
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Diseño de la Sarta de Perforación
- Requiere de diseño mecánico
Describe las limitaciones de la tubería de perforación y de los
collares a los esfuerzos de:
· Tensión
· Sobre-Tensión Permisible
· Estallido
· Colapso
· Torsión
· Pandeo
La sarta de perforación comprende:
· Tubería de Perforación operando en Tensión
· Tubería Pesada (HWDP) y a veces también la TP
· Operando en Compresión o en Tensión
· Lastra barrena de varios tamaños
· Por lo general operando en Compresión
· Accesorios tales como barrenas, estabilizadores, motores,
escariadores, fresas, martillos,etc, etc para cumplir los
objetivos de la perforación de pozos verticales y de ángulo
moderado.
- Requiere de diseño direccional
Describe la tendencia de la sarta de perforación a causar la
desviación del hoyo hacia una predeterminada dirección.
- Requiere de diseño hidráulico
Describe la influencia que tiene la geometría interna y externa
de la sarta sobre las pérdidas friccionales en un sistema
circulante de fluidos.
Se discute en la sección sobre Mecánica de Fluidos del curso.
El análisis recomienda el uso de TP de 5 ½” o 6-5/8” para
pozos ultra profundos y la conexión de la tubería de
perforación con la espiga hacia arriba para mejorar la
hidráulica en la perforación de pozos someros.
Factores de Diseño para la Sarta de Perforación
Factor de Diseño por Tensión
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Exige que la tensión máxima permisible en el sistema En SLB
el DFt = 1.1
Margen de sobre tensión MOP
Es la capacidad de tensión en exceso deseada por encima del
peso colgante de la sarta en la superficie. En SLB el MOP se
fija entre 50K y 100K Lbs.
Exceso de Peso DFbha de la Herramienta de Fondo (BHA).
Cantidad de la Herramienta de Fondo en términos de peso en
exceso del peso usado para perforar para asegurarse de que
todas las cargas de compresión y de torsión se mantengan en
los lastra barrena. En SLB el Dfbha = 1.15
Factor de diseño por Torsión
No se requiere un factor de diseño. Los acoples se ajustan
hasta un 60% de su capacidad torsional y están diseñados
para resistir hasta un 80 % de la capacidad de torsión del
tubo. De esta forma si el diseño limita el apretado del acople,
hay un factor de diseño adecuado construido dentro del
sistema.
Factor de Diseño al Colapso
Es la capacidad en el cuerpo de la tubería es considerada
inferior para tomar en cuenta la reducción en el esfuerzo a la
tensión biaxial y en SLB se usa un factor de diseño al colapso,
DFc entre 1.1 y 1.15.
Factor de Diseño para el Estallido
Se consideran estallidos simples sin tolerancia para efectos
axiales. En SLB el factor de diseño al estallido, DFB = 1.0
Factor de Diseño Para Pandeamiento, DFb
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Para pozos muy desviados es posible operar la tubería de
perforación en compresión, siempre y cuando no esté
pandeada. El factor de diseño al pandeamiento es análogo al
factor para exceso de peso del BHA ya discutido, DFbha para
pozos rectos o ligeramente desviados en el cual este factor
tiene el efecto de alargar el el BHA, el DFb reducirá el peso
permitido para perforar pozos altamente desviados.
Diseño de los lastra barrena
Se selecciona el diámetro externo máximo del drill collar, las
conexiones, el exceso de peso en la Herramienta de Fondo
para proveer el peso sobre la barrena WOB y mantener la
tubería en tensión, la estabilización, las fuerzas de
aplastamiento de las cuñas sobre la tubería de perforación, el
diseño de la Sobre Tensión aplicable en superficie, las
longitudes de las secciones de tubería de perforación, la
revisión de diseño para estallido, la revisión de diseño contra
el colapso por esfuerzos.
Características de Liberación de Esfuerzos
Las conexiones (roscas) de la tubería de perforación no tienen
características de liberación de esfuerzo puesto que el cuerpo
flexible se dobla fácilmente y absorbe la mayor parte del
esfuerzo de doblamiento que se aplica. Por lo tanto las
conexiones de la tubería de perforación están sujetas a
menos doblamiento que el cuerpo de la misma en cambio los
DC y otros componentes de la herramienta de fondo son
mucho más rígidos que la tubería de perforación y en ellos
gran parte de los esfuerzos por doblamiento se transfieren a
las conexiones. Estos esfuerzos por doblamiento pueden
causar falla por fatiga en las conexiones.
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La liberación de esfuerzos se realiza para:
 Piñón (rosca macho) con ranura para alivio y conexión de
caja ensanchada son diseños especiales para aliviar o
liberar esfuerzos en la conexión.
 Las características de liberación de esfuerzos se deben
especificar en todas las conexiones de las herramientas de
fondo tamaño NC-38 o mayores.
 Estas características son benéficas también para la tubería
pesada HWDP.
 Las ranuras de liberación de esfuerzos en el pin no se
recomiendan en conexiones más pequeñas que NC-38
porque pueden debilitar la resistencia a la tensión y la
resistencia de torsión de la conexión.
 Las conexiones de caja ensanchada se podrían usar en las
conexiones más pequeñas.
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Módulo de la Sección para las Conexiones
El módulo de la Sección es un término para referirse al área y
al grado de alejamiento de una forma de material dividido por
la distancia desde el extremo de la forma hasta el punto
donde los esfuerzos son cero.
Razón o Relación de Resistencia a la Flexión
La razón de Resistencia a la Flexión es la rigidez relativa de la
caja con respecto al perno de una conexión dada.
Describe el balance entre dos miembros de una conexión y
cómo es probable que se comporten en un ambiente cíclico
de rotación.
4
4
π ( D −b )
Zbox
32 D
BSR=
=
Zpin π (R4 −b4 )
32 R
Donde:
Zbox = módulo de la sección de la caja
Zpin = módulo de la sección del perno
D = Diámetro exterior del perno y la caja
b = Diámetro de la raíz de la rosca de la caja al final del perno
R = Diámetro de la raíz de la rosca de las roscas del perno ¾
de pulgada del hombro del perno.
d= diámetro interior o agujero.
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Relación de Rigidez para Transiciones
Basados en experiencia de campo, en una transición de un
tamaño de DC o tubería a otro, la razón de rigidez (SR) no
deberá exceder:
*
*
5.5 para perforación de rutina
3.5 para perforación en condiciones severas o difíciles
4
ODupr (OD 4lwr−IDlwr
)
SR=
4
4
ODlwr (OD upr −IDupr )
Diseño de la Herramienta de Fondo
Factor de Diseño para exceso de herramienta de fondo=1.15
peso maximo disponible
=1.15
peso maximode trabajo
Procedimiento para selección de los lastra barrena
1. Determine el factor de flotación para el peso del lodo
que se está en el pozo empleando la fórmula siguiente:
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BF = 1- (MW/65.5)
Donde:
BF = Factor de Flotación, adimensional
MW = Peso del lodo dentro del pozo, en lbs/gal
65.5 = Peso de un galón de acero, lbs/gal
BF = 1- (MW/65.5)
2. Calcular la longitud de DC requerida para lograr el peso
deseado en la barrena
Longitud del DC = 1.15* WOB / (BF*Wdc)
Donde:
WOB = Peso deseado en la barrena, lbf (x 1000)
BF = Factor de flotación, adimensional
W dc = Peso del collar de perforación en el aire, lb/ft
1.15 =15% factor de seguridad.
El factor de seguridad de 15% asegura que el punto neutro
permanezca dentro de los collares cuando fuerzas imprevistas
(Rebote, desviación pequeña y fricción del pozo) están
presentes.
3. Para pozos direccionales:
Longitud del DC = Longitud Vertical del DC / Cos I
Donde:
I = Inclinación del pozo
Observe que para los pozos horizontales los collares de
perforación no se usan normalmente y la selección de la
herramienta de fondo se basa totalmente en la prevención del
pandeo.
Ejemplo
Determine el tamaño y la cantidad de collares de perforación
de 9 pulgadas de diámetro externo por 3 pulgadas de
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diámetro interno que se requieren para obtener un peso sobre
la barrena de 55,000 lbf, suponiendo:
Desviación del pozo = 0°
Densidad de Lodo = 12 ppg
Solución
Peso en el aire de los lastra barrena = WOB / Factor de
Flotación
BF = 1- (12/65.5) = 0.817
Peso en el aire de los lastra barrena = 55,000/0.817=
67,319lbf
Por lo tanto, el peso en el aire requerido de los DC deberá ser
un 15% adicional para asegurar que el NP esté en el BHA
Peso de los DC = 67,319 x 1.15 = 77,416 lbf.
Suponga que los tamaños de lastra barrena disponibles son
DE x DI, 9”x 3”. De los cálculos, el peso por pie para este
tamaño es 192 lb/ft.
(La mayoría de los DC están en longitudes de 30 pies)
Un lastra barrena pesa = 30*192 = 5,760 lb
Cantidad de lastra barrena
= 77,416 / 5,760
= 13.54
= 14 Juntas.
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Límites de torsión para los lastra barrena
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Procedimiento diseño tubería de perforación
1. Determine la carga máxima de diseño (Tmax) : (máxima
carga para la que se debe diseñar la sarta de
perforación)
Tmax = 0.9 x Punto de Cedencia mínimo… lb
Se debe considerar la clase de tubería
2. Calcule la carga total en superficie usando
Tsurf = ((Ldp * Wdp + Ldc * Wdc) BF)
3. Margen de Sobre Tensión: Fuerza de tensión mínima
por encima de la carga de trabajo esperada para tomar
en cuenta cualquier arrastre o que se atore la tubería.
MOP = Tmax – Tsurf
4. La longitud máxima de la tubería de perforación que se
puede usar se obtiene al combinar las ecuaciones
1 y 3 y despejando la longitud de la tubería de
perforación.
Ldp=
Tyield∗0.9−MOP Wdc
−
∗Ldc
Wdp∗BF
Wdp
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ESTUDIO DE LA SARTA DE PERFORACIÓN
Componentes Básicos:
1. Tubería de Perforación, DP
2. Lastra barrena, DC
Accesorios de la Sarta:
– Tubería de perforación Pesada
– Estabilizadores
– Escariadores
– Equipo para control direccional
La Barra de Transmisión Rotatoria (Kelly) y top drive
No son parte de la sarta de perforación pero proporcionan uno
de los requerimientos esenciales para la perforación al triturar
las rocas cual es la rotación.
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La Barra de transmisión rotatoria (Kelly)
Es el vínculo entre la mesa rotaria y la sarta de perforación y
tiene las funciones de:
 Transmitir rotación y peso sobre la barrena
 Soporta el peso de la sarta de perforación
 Conecta la unión giratoria (swivel) con el tramo superior de
la sarta de perforación
 Conduce el fluido de perforación desde la cabeza giratoria
hacia la sarta de perforación
La Kelly se fabrica en longitudes de 40 a 54 pies y con sección
transversal hexagonal (la más común), cuadrada o triangular.
El Top Drive
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Es básicamente una combinación de mesa rotaria y Kelly. Está
impulsado por un motor independiente y le imprime rotación a la
sarta de perforación la cual está conectada en forma directa sin
necesidad de una kelly o de mesa rotaria. Funciona como una Kelly
con impulso rotacional propio.
Conexiones en la Sarta de Perforación
NC (Conexión Numerada)
Es el estilo de cuerda (rosca) más común en la tubería de
perforación.
La rosca tiene una forma de V y se identifica por el diámetro de
paso, medido en un punto que está a 5/8 de pulgada desde el
hombro.
El Número de Conexión es el diámetro del paso multiplicado por 10
y truncado a los dos primeros dígitos = XY
Los Lastra Barrena, DC
Los Collares (o Lastra barrenas) tienen las siguientes funciones en
la sarta de perforación:
• Protegen la Sarta de perforación de Doblamiento y la Torsión
• Controlan la dirección y la inclinación de los pozos.
• Para perforar pozos rectos y pozos verticales.
• Reducen las “patas de perro”, asientos de llave y salientes.
• Aseguran que la sarta de revestimiento sea bajada
exitosamente
• Mejoran el desempeño de la barrena.
• Reducen la perforación irregular, tubería pegada y brincos.
• Como herramientas de pesca, para pruebas de formación y en
• Operaciones de terminación del pozo.
Los dos tipos de lastra barrena son ampliamente utilizados.
En áreas con posibilidad de que ocurrapega diferencial de la sarta
se deben emplear (DC) y tubería de perforación pesada (HWDP)
con superficie exterior espiralada para reducir el área de contacto
con la formación.
Tipos de lastrabarrenas
- DC liso
- DC espiralado
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Tamaño API de los lastrabarrenas
SELECCIÓN DE LOS LASTRA BARRENA
Proveen el máximo peso con la mínima longitud (manejo)
Diámetro Máximo OD; Mínimo ID
 Tienen resistencia a la compresión
 Conexiones Balanceadas
 Estabilidad en vibración, bamboleo y saltos
 Rigidez para trayectorias direccionales Diámetro Gran
masa para resistir los efectos de inercia y de rueda volante.
 Diámetro de La sarta no estará demasiado pandeada o
recostada
 Condiciones de pesca
 Diámetro de los conectores macho (pin) son más débiles
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 Diámetro del espacio suficiente en los diámetros OD/ID
para acomodar los pescadores internos y externos.
Tubería de Perforación Pesada o de Pared Gruesa
(HWDP)
Tiene el mismo diámetro externo que la tubería de
perforación normal pero el diámetro interno es Mucho
más reducido (normalmente 3”) y un Refuerzo en la
mitad del cuerpo del tubular del tamaño de los acoples
para resistir el desgasto por abrasión contra la pared del
hoyo.
Se usa entre tubería de perforación normal y los lastra
barrena para permitir que haya una Transición suave
entre los “módulos de sección” de los componentes de
la sarta de perforación.
Control Direccional de la Trayectoria
Es para los pozos se mueven debido a las fuerzas que
actúan sobre la barrena.
La rotación provoca caminado o efecto de
tirabuzón
- El combamiento provoca fuerzas laterales
Aplica fuerzas laterales sobre la barrena o la
desgasta con afilado en la punta
- La gravedad siempre ejerce una fuerza que jala
hacia abajo
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-
Los pozos desviados tienden a reducir el ángulo construid
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